ТЕПЛОВИЙ РЕЖИМ РОБОТИ АПАРАТУРИ

Тепловий режим апаратурного блоку характеризується сукупністю температур окремих його крапок — температурним полем. Температурний режим створюється як зовнішньою температурною дією навколишнього середовища, так і тепловою енергією, що виділяється радіоелементами самої апаратури. Залежно від стабільності в часі тепловий режим може бути стаціонарним або нестаціонарним.

Незмінність температурного поля в часі характеризує стаціонарний режим. Залежність температурного поля від часу характерна для нестаціонарного режиму. Цей режим має місце в тих випадках, коли власна теплоємність апарату соизмерима з кількістю теплоти, що виділяється при роботі. Зазвичай нестаціонарний режим має місце при одиночних теплових навантаженнях, що короткочасно повторюються.

По характеру спрямованості теплового потоку розділяють термоактивні і термопассивные елементи. Термоактивні елементи служать джерелами теплової енергії, а термопассивные – її приймачами.

Мікросхеми і радіоелементи функціонують в обмежених температурних діапазонах. Відхилення температури від вказаних діапазонів може привести до необоротних змін компонентів. Підвищена температура знижує діелектричні властивості матеріалів, прискорює корозію конструкційних і провідникових матеріалів. При зниженій температурі тверднуть і розтріскуються гумові деталі, підвищується крихкість матеріалів. Відмінності в коефіцієнтах лінійного розширення матеріалів можуть привести до руйнування залитих компаундами конструкцій і, як наслідок, порушення електричних з'єднань, зміни характеру посадок, ослабленню кріплень і тому подібне

Сьогодення і майбутнє апаратури зв'язане з використанням достатніх великих потужностей в порівняно малих об'ємах. Це приводить до різкого збільшення щільності потужності розсіяння, а, отже, і щільність розсіюваної теплоти. Тому при конструюванні апаратури особливого значення набуває розробка методів відведення теплоти, регулювання і контролю температури.

Якщо температура в будь-якій з точок блоку не виходить за межі, що допускаються, то такий тепловий режим називається нормальним.

Нормальний тепловий режим - це режим, який при зміні в певних межах зовнішніх температурних дій забезпечує зміну параметрів і характеристик конструкції, компонентів, матеріалів в межах, вказаних в технічних умовах на них. Висока надійність і тривалий термін служби виробу будуть гарантована, якщо температура середовища усередині РЕА є нормальною і рівною 20-25 °С. Зміна температури щодо нормальної на кожних 10 °С у будь-яку сторону зменшує термін служби апаратури приблизно в 2 рази. Забезпечення нормального теплового режиму приводить до ускладнення конструкції, збільшення габаритів і маси, введення додаткового устаткування, витрат електричної енергії.

Працездатність при низьких температурах забезпечується саморазогревом апаратури перед роботою або, при необхідності, нагрівом електричними нагрівальними елементами, що встановлюються для стаціонарної апаратури в приміщенні (що повинне бути обумовлене в інструкції з експлуатації), для тієї, що транспортується - вбудованими в конструкцію. При застосуванні нагріву повинне забезпечуватися автоматичне виключення нагрівачів після прогрівання апаратури. Слід уникати інтенсивного прогрівання, оскільки при цьому пари води усередині приладу конденсуються на поверхнях конструкції до тих пір, поки не осяде надмірна волога в повітрі.

Охолоджування апаратури. Частіше конструктор вирішує задачу видалення надлишку теплоти в результаті саморазогрева апаратури. Як відомо, передача теплоти від нагрітої апаратури в навколишнє середовище здійснюється кондукцией, конвекцією і випромінюванням.

Кондукция -процес перенесення тепловою енергією між тілами, що знаходяться в зіткненні, або частями тіл за рахунок теплопровідності тіл.

Конвекція — перенесення енергії макрочастками газу або рідини.

Перенесення теплоти випромінюванням відбувається за рахунок перетворення теплової енергії на енергію випромінювання (промениста енергія).

У реальних умовах теплообмін здійснюється одночасно двома або трьома видами, що робить проблематичним точний розрахунок температурного поля. Тому на практиці розрахунок проводиться, як правило, для найбільш ефективного виду теплообміну, який приймається для даного блоку, приладу, системи за основною. Для стаціонарної апаратури використовуються в основному способи охолоджування теплопровідністю, повітряне природне і примусове, а також примусове повітря з додатковим охолоджуванням рідиною в трубопроводах. При високих вимогах до стабільності параметрів схем застосовують термостатування вузлів і блоків.

Способи охолоджування можуть бути охарактеризовані коефіцієнтом тепловіддачі [Вт/(м2°С)]×, значення якого для різних систем охолоджування приведені нижче.

Мал. 5.2.1. 1- стінки приладу, 2- інтегральна схема, 3- тепловідводу, 4-друкарська плата.

Тепловідвід кондукцією. Із збільшенням щільності компоновки РЕА велика частка теплоти віддаляється кондукцией, тобто передачею тепловій енергії від нагрітого елементу до елементу з меншою температурою. Для поліпшення умов відведення теплоти від тепловиділяючих елементів в конструкції застосовують теплові роз'єми, тепловідвідні шини, друкарські плати на металевій основі і так далі Кількість теплоти Qк (кал/с), передавана в статичному режимі кондукцией, визначається по виразу

Qk = amDt S/l (5.2.1)

де am — коефіцієнт теплопровідності, кал/(с·см·°С), S - площа, через яку проходить тепловий потік, см2, l - довжина шляху передачі теплоти, см, Dt - різниця температур між охолоджуваною конструкцією і навколишнім середовищем °С. Приклад розрахунку тепловідводу можна подивитися в роботі /2/.

Для збільшення ефективності теплообміну шляхом теплопровідності необхідно збільшувати площу теплопроводящей поверхні, зменшувати шлях передачі теплоти, використовувати матеріали з високою теплопровідністю.

Мал. 5.2.2.

Тепловідвід конвекцією. Природне і примусове повітряне охолоджування найбільш прості і доступні. Теплота від нагрітих корпусів радіоелементів передається навколишній атмосфері за рахунок природної конвекції. Ефективність природного повітряного охолоджування тим більше, чим більше різниця температур між корпусом і навколишнім середовищем і чим більше площа поверхні корпусу. Має також значення щільність навколишнього середовища, при зменшенні якої відведення теплоти від поверхні елементів зменшується.

Принцип охолоджування природною конвекцією заснований на тому, що шари повітря, нагріваючись від елементів, що виділяють теплоту, і володіючи внаслідок цього меншою щільністю, переміщаються вгору і заміщаються холоднішими шарами. Чим більше об'єм повітря, що заміщається, тим краще теплообмін. Ефективність теплообміну залежить від місця розташування елементів в об'ємі апаратури. Так, при вертикальному розташуванні модулів (плат) повітряному потоку нічого не перешкоджає і теплі шари повітря швидко замінюються холодними. При горизонтальному розташуванні плат зміна шарів повітря утруднена, унаслідок чого нагрів елементів відбувається більшою мірою. У гіршому положенні знаходяться елементи у верхній частині корпусу, оскільки тут заміщення теплих шарів холодними практично не відбувається.

Якість природного повітряного охолоджування залежить від потужності, апаратурою, що виділяється, під час роботи у вигляді теплоти, форми і габаритних розмірів корпусу і площі його поверхні. Поліпшення охолоджування можна отримати штучним збільшенням площі поверхні корпусу, наприклад введенням спеціальних ребер — радіаторів.

Істотне поліпшення теплового режиму досягається введенням спеціальних вентиляційних отворів в дні і кришці корпусів апаратури. В цьому випадку в прилади поступають ззовні холодні шари повітря, які витісняють теплі шари через отвори в кришці. При необхідності такі отвори слід передбачати і в бічних стінках корпусів у вигляді жалюзі. Сумарна площа вентиляційних отворів в дні (кришці) приладу повинна складати 20...30 % перетини конвективних потоків повітря. Вхідні вентиляційні отвори повинні розташовуватися якнайнижче. Щоб не перешкоджати надходженню вільних конвективних потоків повітря всередину приладу, між настановною поверхнею і дном повинен бути зазор 20-30 мм. З внутрішньої сторони кожуха вентиляційні отвори часто закривають захисними металевими сітками.

Природне охолоджування використовується з щільністю теплових потоків від охолоджуваних поверхонь не більше 0,05 Вт/см2. При цьому необхідно прагнути до рівномірного розподілу потужності, що виділяється, за всім обсягом виробу. Компоненти і вузли з великими тепловиділеннями необхідно розташовувати у верхній частині корпуси або поблизу стінок, критичні до перегріву компоненти в нижній частині і захищати тепловими екранами. Блискучий екран скорочує променистий тепловий потік приблизно удвічі. В цілях вирівнювання температури усередині апаратури теплонагруженные модулі повинні мати високий ступінь чорноти, внутрішні поверхні кожухів і каркасів забарвлюються чорними фарбами або лаками. При компоновці апаратури необхідно уникати утворення «пасток тепло», в якому відсутні конвективні потоки повітря.

При розрахунку теплового режиму апаратури з природним повітряним охолоджуванням важливо оцінити кількість теплоти, що видаляється від всіх поверхонь виробу, що нагріваються. Кількість теплоти, що видаляється від поверхні S природною конвекцією, Вт:

Q = 4.18·10-4 hc S Dt

де S — площа поверхні, см2, Dt - перегрівши °С, hc - коефіцієнт конвективної теплопередачі, визначуваний з hc = 0,52С(55Dt/l)^0.25, З - постійна, залежна від орієнтації поверхні (для вертикальної площини З = 0.56, для верхньої горизонтальної площини З = 0.52, для нижньої горизонтальної площини З = 0,26), l - довжина шляху теплового потоку:

Необхідно захищати апаратуру від прямого попадання сонячних променів. При прямовисному падінні сонячних променів на прилад має місце перевищення температури металевих поверхонь (у градусах Цельсія): без покриття - 24; забарвлених в білий колір - 13; сірий - 21; чорний - 27.

Примусове повітряне охолоджування При примусовому повітряному охолоджуванні тепловідвід від внутрішніх порожнин корпусу РЕА здійснюється рухомими потоками повітря, об'єм і швидкість руху яких визначаються вентиляторами. Воно широко використовується в апаратурі з тепловиділенням не більше 0,5 Вт/см2 і виконується по схемах подачі повітря від низу до верху і зверху вниз. Огорожа повітря знизу, де має місце найбільша кількість пилу, приводить до підвищеної запиленої апаратури, охолоджування зверху вниз - до меншої запиленої, але вимагає більшої витрати повітря.

Чим нижче температура повітря, що охолоджує, і вище швидкість його руху, тим ефективніше примусове повітряне охолоджування. Застосовуються припливна, витяжна і припливно-витяжна схеми вентиляції. У припливно-витяжній використовуються два вентилятори на вході і виході повітря з виробу. Праця вентилятора за припливною схемою вентиляції відбувається в сприятливих умовах при зниженій температурі, що забезпечує велику продуктивність. Витяжну схему вентиляції можна рекомендувати в апаратурі з великими аеродинамічними опорами.

Вентилятори встановлюються або безпосередньо в прилад, або в спеціальні блоки з кріпленням на корпусі приладу або каркасі стійкі. У блоках зазвичай розміщують вентилятори, протизапорошений фільтр, елементи сигналізації і аварійного відключення.

Поява шуму і вібрацій в результаті роботи вентиляторів є недоліками примусового охолоджування, проте реалізується конструктивно просто і забезпечує високу гнучкість при переплануванні технічних засобів.

Кількість теплоти Q ккал, отримуване повітрям масою m при збільшенні його температури на величину Dt, рівно:

Q = з m·Dt

де з - питома теплоємність повітря, рівна 0,24 ккал/(кг·°С).

Витрата повітря для охолоджування, м3/час:

Vp = 860 kP/сrDt

де до - коефіцієнт (зазвичай 1,25), що враховує витік повітря, що охолоджує, через нещільність в конструкції; Р - споживана потужність, кВт; р — щільність повітря (при 0°С і нормальному атмосферному тиску r = 1,293кг/м3).

Потужність, що розсіюється у вигляді теплоти, приймається рівною споживаною апаратурою електричної потужності. При повному переході електричної енергії в теплову справедливе співвідношення 1 кВт/ч = 860 ккал.

Системи охолоджування з рідкими хладоагентами застосовують тільки для достатньо великих обчислювальних для вимірника систем.

Вибір способу охолоджування. При виборі способу охолоджування РЕА враховуються її режим роботи, конструктивного виконання, величини розсіюваної потужності, об'єкту установки, навколишнього середовища.

Режим роботи апаратури характеризується тривалістю включеного і вимкненого станів і буває тривалим, короткочасним, короткочасно-повторним. Тривалий режим свойственен стаціонарній апаратурі, яка знаходиться у включеному стані протягом багатьох годинника і днів, короткочасний - бортовий, час безперервної роботи якої обчислюється декількома годинами.

При проектуванні складної апаратури з тривалим часом включеного стану, як правило, виникне необхідність в розробці примусової системи охолоджування (З). Рішення про розробку З для апаратури короткочасно-повторного режиму роботи приймається лише після аналізу режиму роботи апаратури. Переносна РЕА через малі розсіювані потужності примусовою З не забезпечується.

Необхідність розробки З виявляє тепловий аналіз РЕА. Для цього по кожному модулю першого рівня складається перелік тепловиділяючих компонентів, встановлюються розсіювані потужності і максимально допустимі температури. На основі цих даних виділяються критичні до перегріву компоненти, а також компоненти, що встановлюються на тепловідводи. Далі розраховуються питомі поверхневі і об'ємні теплові потоки модулів вищих рівнів. По значеннях щільності теплового потоку qs і qv в першому наближенні вибирають систему охолоджування по допустимому перегріву в 40°С.